美國布坎南壩使用壽命研究

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布坎南壩是美國最大的連拱壩之一，于1937年建成，具有蓄水和發電綜合效益，該壩的建成形成了布坎南湖，業主是科羅拉多河下游管理局(LCRA)。

作為綜合設施評估的一部分，在選取拱斷面進行結構分析時發現，梁托在強度和延展性上有缺陷。

為了提高梁托的強度，估計維修成本約為1 500萬～3 000萬美元。在大規模施工之前，LCRA委托福瑞斯-尼克爾斯公司進行了詳細評估，包括二維有限元模型的建立、材料特性檢測，結構物理模型研究和外觀檢查，以確定梁托的潛在失穩機理和強度。

基于材料檢測結果，物理模型研究包括構建梁托破壞的代表性剖面及試驗。模型研究表明，破壞是由于混凝土斷面產生的拉張裂縫引起的，剪切破壞的可能性不大。

利用物理模型研究結果，建立數值分析模型，結果發現，梁托有足夠的強度來承受預期荷載。對梁托進行的水上和水下外觀檢查，并沒有觀察到有明顯的張裂跡象。最終認為梁托是安全的，從而可以延長使用壽命，避免了對老化的大壩進行加固維修所需的高額開銷。

1 背 景

布坎南連拱壩高44.1 m，位于得克薩斯州伯內特附近的科羅拉多河上，長約3.2 km，由LCRA負責大壩的運行管理。大壩形成的布坎南湖，是LCRA管理的六大高原湖泊之一，正常蓄水位310.8 m，庫容約10億m3。大壩的主要功能是蓄水發電，建筑物包括混凝土連拱壩、3個安裝有37個弧形閘門的混凝土溢洪道、5個非溢流重力壩段、1個開敞式混凝土溢洪道、1個土石壩段和廠房。連拱壩分為直徑10.7 m和21.3 m兩部分，連拱由扶壁支撐，扶壁與拱之間由大型梁托連接。

大壩于1931年開始施工建設，1932年因故被迫停工。在該階段，只完成了部分施工。 1943年，LCRA成立，重啟大壩建設；1937年工程建成，并因此成功地取得了運營管理權。1997年以來，LCRA對布坎南壩陸續進行了維修，維修對象主要包括非溢流壩段、溢洪道和水電機組等。

2 設施全面審查和初步評估

通常，LCRA每6 a對大壩進行一次全面的綜合檢查評估(CFR)，每年還要對大壩進行一次安全檢查。2007年對大壩進行的綜合檢查評估和2008年進行的基本結構評估結果顯示，在正常水位和可能最大洪水位(PMF)荷載條件下，拱和扶壁頭的結構可能存在問題。

綜合檢查評估中所謂的“梁托”，即扶壁頭，是扶壁的一個結構單元，筒形拱就坐落在扶壁頭上。報告中關注的是梁托的2個臨界強度，亦即拱間的局部抗拉強度和抗剪強度。

初查中研究的抗拉強度是指拱間兩拱相交處梁托上游面的水平拉應力，認為直徑為10.7 m的拱間梁托具有足夠的抗拉強度，不需要對其采取防止拉裂破壞的加固措施；而直徑為21.3 m的拱間梁托，在拱附近部位有拉應力出現，雖然拱間梁托的配筋率較低，但現有的鋼筋可以提供足夠的抗拉強度，也不需要對其采取防止拉裂破壞的加固措施。

對沿潛在剪切面上的剪應力分布也進行了分析，潛在剪切面從梁托上游面的拱背處延伸到梁托的凹角。分析結果表明，在給定預期剪切破壞為脆性的情況下，安全系數不足。

鑒于存在剪切破壞的可能性，建議LCRA對直徑為10.7 m和21.3 m的梁托實施加固措施，以增強梁托的強度。加固措施包括安裝預應力桿穿過梁托，或用鋼筋混凝土加厚梁托。采用任何一種加固措施，估算造價都在1 500萬～3 000萬美元。

3 同行評審研究

鑒于提出的加固措施費用高，考慮到布坎南壩運行70多年來并沒有出現任何重大的結構性問題，因此，LCRA不得不對加固事宜作進一步地慎重考慮和深入研究。 2009年，LCRA邀請福瑞斯-尼克爾斯公司(FNI)，協助其對梁托狀態進行深入評估。首先，是對CFR和結構初步評估報告結論進行同行評審研究。

為了完成這項研究，FNI組建了一支高素質的工程師團隊，其中包括來自學術界和工業界的獨立顧問，這些顧問都是世界著名的壩工專家和鋼筋混凝土專家。

項目團隊對梁托狀態進行了評審，并采用不同的方法開展了分析，首先對假定的材料強度和荷載組合情況進行評估，精準荷載組合情況，調整材料的強度，反映結構構件內的潛在變化，為結構計算創造條件。

CFR對梁托的初步評估使用的是梁剪切法，但項目團隊認為，剪切摩擦法更適合用于梁托，這與美國混凝土協會(ACI )的經驗相一致。雖然剪切摩擦分析方法適用于梁托，但其得出的剪切強度卻是如此之低，以至于基于大壩以往的成功經驗，很難相信其正確性。用剪切摩擦分析方法得出的抗剪強度偏低，是由于ACI 318唯一依賴鋼筋來提供抗剪強度，而梁托的配筋率相對較低。因此，剪切摩擦方法在評估梁托方面存在著不確定性。

在分析過程中，項目團隊評估了梁托和可用的建筑標準。建筑標準中的設計準則通常是建立在建筑，而不是大壩的典型結構基礎上。

在美國混凝土學會于2005年制定的有關結構混凝土建筑規范中，規定的基本條件是柱上梁托為獨立構件，并支承著直接受彎構件，這些梁托及其承受的荷載的性質與接受評審的布坎南壩梁托存在顯著的差異。

同行評審團隊認為，規范的要求過于嚴格，不適用于準確評估布坎南壩的梁托。

由于ACI分析方法所得結果的不確定性，作為同行評估的一部分，使用各種軟件包，開發出了梁托二維有限元模型(FEM)。初步的有限元分析結果表明，在兩拱之間的交叉區，有明顯的拉應力形成，雖然這些拉應力還沒有達到極限狀態，有限元法還是無法確定梁托是否足夠安全。

同行評估團隊認為，鑒于梁托幾何形狀的復雜性、拱的反作用力以及配筋，并不能為其建立單獨的標準數值評價技術。因此，需要提出更嚴密精確的方法，以進一步了解梁托受力的狀況。

4 評估方案

FNI開發的梁托評估方案，提供了相關破壞機理的成本效益分析方法，建立與現有結構特性的相關性，確定是否可以避免采用大量的維修加固措施。重點關注2007年CFR提出的兩大強度機制：梁托表面的抗拉和內部的抗剪。該方案包括材料試驗、水上和水下外觀檢查、梁托的物理模型試驗以及精確的結構數值分析。

4.1 材料試驗

材料的強度是結構分析中的關鍵參數。布坎南壩梁托和連拱的混凝土強度差別很大，這一點可以從原來施工試驗成果和最近為其他大壩修復項目的試驗成果中得到證明。

在布坎南壩2個前期項目中，從連拱部分所取的12塊巖芯的強度結果試驗表明，平均抗壓強度為39.1 MPa，標準差為8.2 MPa。在前后2個不同時期修建的連拱，直徑為10.7 m連拱混凝土的平均強度要高于地徑為21.3 m的連拱混凝土。

在梁托評估過程中， 從梁托中或其附近選取了16塊具有代表性的混凝土巖芯，以測試其強度。混凝土強度介于24.8～51 MPa之間，強度的平均值為34.7 MPa，標準差為9.6 MPa，混凝土試樣的平均比重為2.4 t/m3。考慮到新、老試驗數據的變化，抗壓強度設計值取為20.7 MPa，在分析中，抗壓強度不超過“竣工”時的強度是可信的。

在原始設計文件中，沒有明確說明鋼筋設計強度。所用鋼筋強度是根據歷史使用情況、原始設計圖紙中列出的計算應力和一些特殊試驗成果確定的。從歷史使用情況來看，可以合理推斷，鋼筋混凝土結構建造的時期是1928年到1963年，使用的是ASTM A 15中級新坯鋼筋。然后根據原始圖紙的蛛絲馬跡，對這種鋼筋強度進行測試。

根據原始圖紙上僅有的幾次計算，連拱中鋼筋的應力高達119.3 MPa。根據CRSI工程數據報告NO48[2001]，1924～1940年，鋼結構和中級ASTM A 15鋼的允許的拉應力分別為110.3 MPa和124.1 MPa。由于原始圖紙所列應力高于結構鋼筋的允許應力，可以再次合理推斷，所使用的鋼筋是中級鋼材。最后，鋼筋樣品取自發電廠房地板和直徑為21.3 m的連拱附近發現的建筑垃圾。

樣品的拉伸試驗結果表明，鋼筋的屈服強度和抗拉強度分別大于275.8 MPa和503.3 MPa，這些結果適用于中級ASTM A 15鋼。因此，所用的鋼筋屈服強度設計值取275.8 MPa。

4.2 外觀檢查

在梁托上游側進行外觀檢查，是為了評價是否出現了與拉應力或剪應力有關的明顯裂縫，旨在發現拱間梁托上游面上任何明顯開裂或老化的跡象。外觀檢查包括直接觀察、水位以上梁托上游面的照片檢查、攝像遙控車(ROV )水下檢查。ROV也用來評估大壩上游梁托處沉積物的高程。

在直徑為21.3 m的拱段有30個梁托，其中20個用遙控車進行了檢查 。在直徑為10.7 m的拱段，檢查期間庫水位較低，梁托處最大水深僅1.5 m，對24個梁托中的11個使用了遙控車進行檢查。

總體而言，梁托在沉積物表面以上的可見部分狀況良好，沒有明顯的開裂跡象，說明拱間上游面不存在拉應力集中現象。在直徑為21.3 m的拱段，在梁托和拱上，常見沿拱的施工縫涂的焦油條帶，有的梁托全部涂滿了焦油。梁托表面粗糙度呈現為參差不一，可以說明當時的澆筑技術和混凝土表面處理技術水平，梁托表面粗糙的部分說明缺乏表面處理工序。梁托和拱的施工縫高程與圖紙上所標明的位置相一致。

除了73 a前老的建造技術在表面留下的正常狀況外，外觀檢查沒有發現任何問題，說明不存在結構設計缺陷。

4.3 物理結構模型

物理模型試驗是用一個代表大壩的結構來模擬配筋率較低的梁托受力情況，目的是為了開發一種分析模型，能夠應用到大壩不同高程梁托的應力應變分析中，幫助克服建筑規范中典型梁托模型存在的許多不足。

在模型開發中，主要目標是建立梁托表面拉應力與梁托內部抗剪強度之間的關系。施加的載荷、梁托形狀、扶壁厚度、拱厚度和配筋等，從梁托頂部到底部連續地變化。對一個模擬大壩全高的模型，理所當然地認為，至少能承受與大壩類似的組合荷載，同時具有較高的抗拉和抗剪強度。

物理模型試驗是在奧斯汀德州大學弗格森實驗室完成的，建立了2個具有代表性的半尺寸梁托模型。由于在初步分析中已經確定梁托表面的張力是臨界破壞模式，模型的配筋結構主要是盡可能精確地模擬梁托表面鋼筋網的拉力。

根據歷史應用情況、原始設計文件和現場特定試驗，用于模型的鋼筋設計屈服強度為275.8 MPa。試樣中使用的鋼筋應力-應變關系曲線，與從原結構中采取的試樣進行了對比，具有極好的相關性。如前所述，模型中使用的混凝土28 d設計抗壓強度為20.7 MPa。

試驗前，在該模型上安裝了應變計和壓力傳感器。對模型施加水平和垂直荷載,以模擬實際壩拱相互作用的組合力矩和剪力。由于梁托的臨界張力區位于拱的反作用力附近，所以精確地模擬拱對梁托反作用力的傳遞是非常重要的。為了實現這一目標，將混凝土柱與梁托實施整體一起澆筑。將混凝土柱制造成拱基座的形狀，對于混凝土柱中豎向配筋的尺寸和位置，按照拱的實際情況而設。將載荷施加到代表拱的混凝土柱上，然后以混凝土受壓構件和鋼筋張力的形式傳遞到梁托上，就像實際拱的反作用力。

2個試樣的試驗過程概括如下：

(1) 加載后，試樣出現彈性反應；繼續加載，直到拱間交叉中心處的混凝土開始出現張拉裂縫，此時觀察到鋼筋開始出現拉應力，但混凝土裂縫并沒有擴展。

(2) 繼續對試樣加載，直到混凝土再次開裂，梁托從上至下產生了貫穿性裂縫，此時鋼筋處于完全受拉狀態。

(3) 繼續對試樣加載，當拱間交叉處的強度完全受控于鋼筋張應力時，鋼筋的韌性抗拉屈服強度控制著最終的抗性機制。

需要重點指出的是，在梁托中間，裂縫保持垂直向發展，而在扶壁交界面處的梁托基座上，裂縫則呈橫向發展，這與潛在剪切面無關。同樣需要重點指出的是，鋼筋彎曲部分的抗拉屈服強度呈現理想的延性反應。

4.4 結 果

梁托的承載力基本上與拱間梁托表面的抗拉強度有關。在直徑為21.3 m的拱中，梁托表面的抗拉強度在較高位置控制著梁托的承載力。穿過剪切面的拉應力會降低抗剪強度，但本次研究結果表明，當拉裂縫形成時，并不會出現在抗剪強度降低的區域內。

通過了解這些裂縫的形成機理，已經可以確定剪切機制與這些裂縫無關，同時也進一步證明古老結構中分布的隨機殘留裂縫不可能降低抗剪強度。在大多數區域，抗剪安全系數低于抗拉安全系數，因此張拉破壞決不可能發生。使用這里所描述的方法，對所有斷面的抗剪安全系數進行計算，結果是可以接受的。

4.5 AASHTO抗剪承載力評價

作為一個輔助評估工具，使用美國國家公路運輸司(AASHTO)LRFD橋梁設計說明書中指定的剪切摩擦分析法，來計算梁托的抗剪承載力。與ACI 318對比可以發現， AASHTO方法的不同之處是考慮了凝聚力和骨料嵌鎖，許多橋梁設計依賴于剪應力沿跨度大、配筋少的板梁接觸面傳遞，AASHTO方法提供了這種條件下更現實的設計方法。 AASHTO的規定是根據實驗數據制定的，提供了各種混凝土表面條件下的設計值。

在連接拱背與梁托基座凹角的剪切面上，特別對剪摩阻力進行了評價，拱的全部反作用力均要通過這個面傳遞。因此，這個面是最不利的，計算中使用的唯一鋼筋，是在物理模型研究中考慮的受拉鋼筋。

還有另外一種鋼筋，穿過所分析的潛在剪切面，但由于定向問題或缺乏延伸方向，因此在分析中不加以考慮。

5 結 語

基于FNI的梁托評估程序，結果表明，布坎南壩梁托是穩定的，因此不需要進行加固。需要指出的是，對梁托上游面進行的視覺檢察，已成為了大壩定期檢查的一部分。如果這項檢察能夠繼續提供明確的證據，說明扶壁上游面混凝土沒有開裂或老化，與梁托相關的風險也就不存在，因而也就沒有必要對其進行昂貴的加固維修。

該研究得出的一個重要結論是，行之有效的行業標準技術并不能精確說明老建筑的結構承載力。根據該項研究，這個差異是由以下2個主要原因造成的：

(1) 標準分析技術暗含幾個假設，而這些假設不可能適合于特定條件；

(2) 現行的行業設計和分析慣例，往往是基于特定設計方法與相關分析方法的聯合應用。

當聯合應用時，得出的結論通常是合理的保守設計。但是，如果最初使用了不同的設計方法，當前的分析方法就有可能得到明顯不同的結果，因為它強化了某些區域，而忽略其他對結構來說處于臨界狀態的區域。如果物理模型結果不同于數值分析結果，那么在數值分析中就必須應用批判性思維。

業主和工程師應該尋求可替代和創新的方式來看待和分析老的建筑物，因為有時額外的管理可以避免或顯著減少維修費用。